Reflets de la Physique n°55 oct/nov/déc 2017
Reflets de la Physique n°55 oct/nov/déc 2017
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°55 de oct/nov/déc 2017

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 4,8 Mo

  • Dans ce numéro : une brève histoire du climat de la Terre.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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À Luminosité solaire normalisée à la valeur actuelle 2 1 8 Reflets de la Physique n°55 0 Aujourd’hui/Transformation du Soleil en géante rouge 2 4 6 8 10 12 Age du Soleil (en milliards d’années) 2. Évolution de l’intensité lumineuse du Soleil. Dans sa séquence principale, avant que le Soleil se transforme en géante rouge à un âge d’environ 10 à 12 Ga, son intensité lumineuse augmente presque linéairement avec le temps, de 7% par milliard d’années dans cette phase. (D’après D.O. Gough, University of Cambridge, U.K.). Le cycle exosphérique du carbone à l’échelle du million d’années Ce cycle est décrit sur la figure ci-dessous. Seuls les flux géologiques sont pris en compte, tous les recyclages rapides (flux biosphériques et interface océan-atmosphère) sont négligés. Seul le bilan de l’érosion silicatée consomme une molécule de CO 2 atmosphérique. 0,08 Gt/an 0,24 Gt/an C0 2 0,32 Gt/an Altération continentale Silicates Sédimentation Ca 2+ - + 2 HCO 3 = CaCO 3 + H 2 O + CO Carbonates 2 0,24 Gt/an CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca 2+ - + 2 HCO 3 0,32 Gt/an CaSiO 3 + 2 H 2 CO 3 Ca 2+ - + 2 HCO 3 + SIO 2 + H 2 O O,16 Gt/an » > comme on peut le constater sur la figure 2, pris des milliards d’années. Or, toutes sortes de données prouvent que non seulement la surface de la Terre n’a pas été englacée, mais en plus qu’elle était chaude. On peut en effet reconstituer une température des océans à partir des isotopes de l’oxygène et du silicium. Ces températures étaient d’environ 50 °C à l’Archéen et de 30 °C au Protérozoïque, même si de nouvelles estimations convergent vers des températures plus basses. Il y a donc là une énigme  : avec un Soleil jeune et moins puissant, la Terre, au lieu de s’englacer, portait déjà des océans chauds. C’est ce qu’on appelle le paradoxe du Soleil jeune. Très vite, les physiciens pointent du doigt les gaz à effet de serre comme responsables des températures chaudes maintenues à la surface de la Terre dans ce contexte thermiquement défavorable. CarlSagan a d’abord émis l’hypothèse que le responsable pouvait être l’ammoniac NH 3. En effet, c’est un gaz à effet de serre très puissant, mais il est détruit par photolyse au sommet de l’atmosphère et son taux d’équilibre dans l’atmosphère restait trop faible pour protéger la Terre de l’englacement pendant les premiers milliards d’années. Après quelques tâtonnements, le suspect le mieux placé s’avérait être le gaz carbonique qui est aussi un gaz à effet de serre. Le dioxyde de carbone possède les propriétés physiques idéales pour s’équilibrer dans l’atmosphère de la jeune Terre (pendant au moins les deux premiers milliards d’années) à un fort taux. Examinons les sources et les puits du CO 2 atmosphérique à l’échelle géologique, afin de quantifier à quelle valeur il peut s’équilibrer. Les sources d’abord  : elle sont essentiellement liées au volcanisme. Nous pouvons raisonnablement penser que l’intérieur de la Terre étant plus chaud qu’actuellement, le volcanisme devait être plus important. Mais c’est surtout les puits de CO 2 atmosphérique qui vont nous intéresser. Ce qui permet d’extraire du CO 2 de l’atmosphère, c’est l’érosion des silicates. Comme illustré dans l’encadré ci-contre, les ions Ca 2+ et HCO 3 - sont emmenés à l’océan par les rivières. Si l’océan est saturé par rapport aux minéraux carbonatés, cet apport d’alcalinité va provoquer la précipitation de carbonates de calcium, et donc le stockage d’un carbone exosphérique dans l’enveloppe sédimentaire de la Terre. Mais en l’absence de continents, pas d’érosion
silicatée, et le carbone s’accumule dans l’atmosphère. Nous pouvons considérer que jusqu’à il y a 3 milliards d’années, date à partir de laquelle l’accrétion continentale devient significative, le principal puits de CO 2 ne fonctionnait pas, et que la concentration de CO 2 dans l’atmosphère a pu atteindre des valeurs suffisamment importantes pour que l’effet de serre puisse compenser la plus faible luminosité d’un Soleil jeune. Il y a néanmoins un grain de sable qui vient compliquer ce scénario. Dès qu’on a pu analyser les sols des vieux cratons (b) (datant de 2,5 à 3,2 Ga), on a constaté qu’il n’y avait dans ces sols nulle trace de sidérite (FeCO 3). L’atmosphère devait donc contenir moins de 0,015 bar de CO 2, sinon la production de sidérites aurait dû se produire. Mais avec un tel taux de CO 2, l’effet de serre n’était pas assez puissant pour éviter une glaciation globale. Dans ce contexte, il lui a fallu un comparse. Le méthane (CH 4) n’a, a priori, pas le profil. Du point de vue radiatif, il est certes un candidat sérieux (25 à 30 fois plus efficace que le CO 2) , mais il rencontre deux problèmes pour s’établir à une haute teneur dans l’atmosphère. D’une part, son temps de résidence est bien plus court que celui du CO 2, à cause du puits que constitue la réaction d’oxydation CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O. Ainsi, la durée de vie du méthane est de dix ans dans l’atmosphère, dans les conditions actuelles. D’autre part, sur Terre contrairement à Titan, le plus gros satellite de Saturne, la production de méthane n’a pu être que biologique. Sur Titan, l’atmosphère est très riche, le méthane en est une composante importante, mais Titan est situé très loin du Soleil dans un tout autre contexte qui rend possible la formation de méthane de manière non biologique. Mais ces deux problèmes n’ont peut-être pas empêché d’atteindre des taux importants de méthane dans l’atmosphère des deux premiers milliards d’années de la Terre. En effet, il ne faut pas oublier que jusqu’au GEO (Grand Événement d’Oxydation) il y a 2,4 Ga, il n’y a pas d’oxygène dans l’atmosphère. Par conséquent, le puits de méthane est très affaibli. Le problème de la source est résolu par l’hypothèse de J. Kasting (professeur à l’Université de PennState), qui s’appuie sur le fait que les archées méthanogènes (c) qui apparaissent très tôt (3,5 Ga) ont pu produire du » > méthane en abondance, du moins jusqu’au GEO puisque l’oxygène, même à faibles doses, est un poison pour elles. Ces deux gaz à effet de serre, dioxyde de carbone et méthane, sont restés pendant des milliards d’années à des taux suffisants dans l’atmosphère terrestre évitant ainsi toute glaciation, malgré un Soleil jeune moins puissant... sauf à deux occasions. On ne dispose en effet que de deux épisodes de dérégulation massive où la Terre a pu s’englacer totalement. Même si sur des périodes aussi éloignées l’absence de preuve de glaciation ne représente pas forcément la preuve de leur absence, il reste néanmoins que cette régulation semble avoir fonctionné pendant des milliards d’années. Concentration relative../-1. irrrrr 1. Images de la physique Des glaciations globales Première glaciation et grand événement d’oxydation (GEO) La première grande glaciation est concomitante au GEO où la Terre a connu une glaciation massive, liée à l’effondrement du méthane lors de l’irruption de l’oxygène dans l’atmosphère terrestre il y a 2,45 Ga (fig. 3). La seconde est beaucoup plus récente  : elle se situe au Néoprotérozoïque (entre 1 Ga et 540 Ma), lorsque le CO 2 s’effondre à son tour (fig. 3). Il est extrêmement difficile de modéliser le climat d’il y a 2,4 Ga correspondant à la première glaciation, car on ne connait pas assez bien la distribution des continents. En effet, le paléomagnétisme permet de décrire l’évolution des continents et des ARCHÉEN PROTÉROZOÏQUE PHANÉROZOÏQUE Dioxyde de carbone Méthane Oxygène Glaciations planétaires 4,5 3,5 2,5 1,5 0,5 0 Temps (en milliards d’années) Apparition de l’oxygène dans l’atmosphère (GEO) Apparition des premières bactéries productrices d’oxygène Les bactéries méthanogènes commencent à contribuer notablement à la composition de l’atmosphère Apparition des premiers micro-organismes consommant le dioxyde de carbone L’effet de serre dû à la concentration élevée du dioxyde de carbone atmosphérique compense le faible éclat du jeune Soleil 3. Variation de la concentration relative de l’atmosphère terrestre en oxygène, méthane et dioxyde de carbone, de la naissance de la Terre à l’époque présente. À l’échelle des temps géologiques, un marqueur temporel est le Grand Événement d’Oxydation (GEO), entre il y a 2,45 et 2,2 milliards d’années. Cette montée de l’oxygène va conduire à une baisse concomitante du méthane. Mais ce n’est que bien plus tard (pendant le Néoprotérozoïque), entre il y a 800 et 600 millions d’années, que le CO 2 va s’effondrer à son tour. (D’après J. Kasting [2]). Reflets de la Physique n°55 9



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